擋風(fēng)玻璃破裂的物理原理可能會(huì)破壞腎結(jié)石

飛機(jī)必須飛得很快才能使雨滴破裂，從而擋風(fēng)玻璃破裂，但這是有可能發(fā)生的?，F(xiàn)在，不可能完成的壯舉背后的物理學(xué)新模型可能只是幫助醫(yī)生將腎結(jié)石弄碎了。

1960年代，當(dāng)超音速噴氣機(jī)首次被商業(yè)化開(kāi)發(fā)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，該現(xiàn)象有時(shí)會(huì)在穿過(guò)雨林的試飛中發(fā)生。即使雨滴幾乎不重，它們?nèi)阅軌蛟趪姎馐斤w機(jī)的擋風(fēng)玻璃上形成環(huán)形裂紋。

盡管科學(xué)家最初難以解釋這種好奇心，但劍橋大學(xué)的弗蘭克·菲利普·鮑登教授和約翰·菲爾德教授最終還是將表面波視為罪魁禍?zhǔn)?。由于表面波僅在二維方向上傳播，因此它們比三維波具有更強(qiáng)大的沖擊力。然而，由于缺乏描述這種現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方法和缺乏驗(yàn)證所提出模型的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)該現(xiàn)象的某些細(xì)節(jié)仍然知之甚少。

杜克大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)教授裴鐘和他的前研究生應(yīng)聘為現(xiàn)任Bose聲學(xué)工程師的張英在11月1日發(fā)表在《物理評(píng)論研究》上的一篇新論文中，填補(bǔ)了這一科學(xué)知識(shí)方面的空白。

使用高速相機(jī)(左)跟蹤由泄漏的瑞利表面波引起的應(yīng)力，并將其與現(xiàn)象的新模型進(jìn)行比較(右)。這些類型的表面波產(chǎn)生的圓形裂紋首先出現(xiàn)在飛越熱帶雨林的超音速噴氣機(jī)的擋風(fēng)玻璃中，現(xiàn)在可以利用它們來(lái)破碎腎結(jié)石。信用：杜克大學(xué)

他們創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以可視化此類表面波產(chǎn)生的應(yīng)力。他們放置了一個(gè)碎石設(shè)備，該設(shè)備被設(shè)計(jì)為用一波玻璃覆蓋的一桶水中的聲波將腎結(jié)石粉碎，然后引發(fā)點(diǎn)源爆炸，爆炸形式是球形沖擊波。根據(jù)沖擊波撞擊玻璃的角度，它可以產(chǎn)生在水玻璃邊界傳播的表面波。

借助高速攝像頭，該團(tuán)隊(duì)僅在傳播通過(guò)玻璃杯的瞬間就測(cè)量了沖擊波各個(gè)元素的速度。Zhang使用這些測(cè)量值來(lái)驗(yàn)證使用稱為COMSOL的多物理場(chǎng)軟件構(gòu)建的有限元模型。這些模型成功地再現(xiàn)了在這種情況下經(jīng)常觀察到的一系列體波和表面波的特征，其中包括可以使人們免于需要手術(shù)去除腎結(jié)石的特征。

研究人員發(fā)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)大部分應(yīng)力和破壞的一種波(稱為泄漏瑞利波)的傳播要快于另一種稱為e逝波的波。雖然它們是在水玻璃邊界上同時(shí)創(chuàng)建的，但泄漏的瑞利波最終還是從the逝波中拉開(kāi)了，e逝波是由這種現(xiàn)象引起的最大拉應(yīng)力的時(shí)刻和位置。

他們還發(fā)現(xiàn)，最初在超音速噴氣式擋風(fēng)玻璃上觀察到的圓形裂紋不一定會(huì)在此時(shí)形成-它們需要玻璃中存在的缺陷才能開(kāi)始使用。但是一旦開(kāi)始，裂紋就會(huì)沿著圓形軌跡傳播，緊隨前進(jìn)的泄漏瑞利波引起的固體中的第一個(gè)主應(yīng)力。

鐘說(shuō)：“治療腎結(jié)石的挑戰(zhàn)是將結(jié)石縮小成非常細(xì)的碎片，這樣醫(yī)生就不必再進(jìn)行任何輔助手術(shù)了。” “基于通過(guò)該模型獲得的見(jiàn)解，我們也許能夠優(yōu)化沖擊波的形狀和碎石機(jī)設(shè)計(jì)，從而在腎結(jié)石表面產(chǎn)生更大的張力，從而更有效地打開(kāi)缺損。”